DE4143204A1

DE4143204A1 - Neues quantisierungsverfahren zur verwendung bei der bildkompression

Info

Publication number: DE4143204A1
Application number: DE19914143204
Authority: DE
Inventors: James Dow Allen; Steven Michael Blonstein
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-01-02
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 1992-07-09
Anticipated expiration: 2011-12-31
Also published as: DE4143204C2; GB2253113A; FR2671208B1; FR2671208A1; JPH04297185A; GB2253113B; GB9127136D0; JP3336029B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Quantisierungsverfahren zum Einsatz bei einem Bildkompressionssystem.

Die aktuelle Datenkompression bei der Bildkompression wird in dem Quan tisierungsschritt des Gesamtvorgangs durchgeführt. Das Prinzip hinter dem kommenden internationalen Standard JPEG ist eine Transformation der räumlichen Dimension (Bildpunktdaten) in eine Reihe zweidimensionaler diskreter Kosinus-Transformationskoeffizienten. Diese Koeffizienten wer den in der Software oder Hardware quantisiert und nachfolgend codiert, um die aktuelle Kompression zu erzielen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines verbesserten Quantisierungsverfahrens zur Verwendung bei Bildkompres sionstechniken. Das verbesserte Quantisierungsverfahren führt zu einer 3- 6%igen Verbesserung bezüglich der Kompression (unter der Annahme eines bestimmten Fehlerpegels in dem komprimierten Datensatz). Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß dieses Ergebnis mit minimaler zu sätzlicher Hardware erzielt wird, und hierbei immer noch eine 100%ige Kompatibilität des Systems mit dem vorgeschlagenen Standard sicherge stellt wird. Durch Verwendung eines Rundungsverfahrens kann ein 3- 6%iger Gewinn bei der Kompression ohne zusätzliche Qualitätsverluste erreicht werden.

Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, erläutern Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung. Aus dieser Beschreibung gehen weitere Vor teile und Merkmale hervor.

Es zeigt:

Fig. 1 den Datenfluß für eine typische Bildkompressionseinrichtung;

Fig. 2a und 2b die allgemeine Anordnung von Transformationskoeffizienten, wie sie bei Bildkompressionstechniken verwendet werden;

Fig. 3 eine Erläuterung der Berechnung der Quantisierung;

Fig. 4 eine Darstellung eines Blockes von Bildpunkten (Pixel); und

Fig. 5 und 6 die Ergebnisse der Quantisierung typischer Testbilder gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nachstehend wird im einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, und Beispiele der Erfindung sind in den beige fügten Figuren erläutert. Zwar wird die Erfindung im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, jedoch wird darauf hinge wiesen, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausfüh rungsformen einzuschränken. Ganz im Gegensatz hierzu soll die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfassen, die innerhalb des Wesens und des Umfangs der Erfindung liegen, welche auch durch die bei gefügten Ansprüche festgelegt werden.

In Fig. 1 zeigt der Datenfluß Bildpunkte, die dem Vorderende 10 des Systems eingegeben werden. Eine typische Darstellung der Bildpunktwerte ist 0 bis 255 oder -128 bis +127. Diese Werte erfordern zu ihrer Dar stellung 8 Datenbits.

Die zweite Stufe ist die Transformation 20. Zwar umfaßt die Transforma tion eine Multiplikation und/oder Additionen mit anderen als ganzzahli gen Faktoren, jedoch besteht das Endergebnis der Transformation in 64 Frequenzkoeffizienten, deren Bereich typischerweise -1024 bis +1023 beträgt. Diese können durch Zahlen mit 11 Bit dargestellt werden. Diese Zahlen werden immer noch als ganzzahlig angesehen.

Die dritte Stufe 24 (die mit einer dunkleren Grenze dargestellt ist) stellt den Bereich des wirklichen Interesses dar. Es ist die Quantisie rung, die tatsächlich dadurch die Kompression erzielt, daß viele der Hochfrequenzkomponenten auf Null reduziert werden. Die Quantisierung kann sich abhängig von dem betreffenden Koeffizienten ändern. Empirische Untersuchungen haben gezeigt, daß einige Koeffizienten "unterdrückt" werden können, ohne das dies einen nachteiligen Effekt auf die Bildqua lität hat. Die tatsächliche numerische Operation für die Quantisierung besteht in einer Division durch einen Quantisierungsfaktor Q. Ist das Ergebnis eine Zahl x (wie in Fig. 3 gezeigt), dann läßt sich x ausdrüc ken als:

x = C/Q,

wobei C der Koeffizientenwert vor der Quantisierung ist.

Zwar liegen zulässige Werte für C in dem Bereich von -1024 bis +1024, und für Q beträgt der Bereich 1 bis 512, jedoch werden typische Werte für diese beiden im allgemeinen kleiner sein. Häufig wird die Division von C durch Q eine kleine Zahl in dem Bereich von -5 bis +5 ergeben. Bei diesen kleinen Zahlen kann der Wert rechts vom Dezimalpunkt einen kriti schen Effekt auf den für x gewählten ganzzahligen Wert haben. Ein ein faches Abschneiden des Anteils rechts vom Dezimalpunkt wäre nicht zu akzeptieren.

Der vorgeschlagene internationale Standard JPEG schlägt das nachfolgende Schema zum Abrunden des Wertes x vor.

-0,5 x +0,5 führt zu x = 0
0,5 x +1,5 führt zu x = 1
1,5 x 2,5 führt zu x = 2 usw.

Die vorliegende Erfindung (die als "Z"-Quantisierung bezeichnet wird) verwendet folgende Metrik:

-0,625 x +0,625 führt zu x = 0
0,625 x +1,625 führt zu x = 1
1,625 x +2,625 führt zu x = 2

Auf den ersten Blick mag der Unterschied zwischen den beiden Vorgehens weisen sehr gering erscheinen. Allerdings stellt der Nettoeffekt bezüg lich des Kompressionsverhältnisses für einen vorgegebenen Fehlerpegel eine Verbesserung von 3-6% dar. Eine Beschreibung des Codierers hilft dabei, die Gründe zu verstehen.

Fig. 2a zeigt die allgemeine Anordnung für die 64 Transformationskoeffi zienten. Der Gleichspannungswert liegt in der oberen linken Ecke, und die übrigen 63 Wechselspannungskoeffizienten sind in der Reihenfolge ansteigender horizontaler und vertikaler Frequenz angeordnet, wenn man sich zur unteren rechten Ecke hin bewegt.

Fig. 2b zeigt einige typische Werte, die bei einem 8×8-Bildpunktblock auftreten können. Der internationale Standard erfordert es, daß der Codierer "zickzackartig" die Wechselspannungskoeffizienten abtastet. Der Grund für diese Vorgehensweise liegt darin, Folgen von Nullen zu verlan gern, bei welchen die größte Kompression erzielt wird. Wie in dieser Figur gezeigt ist, führen "verstreute" Werte (die in Fig. 2b hervorge hoben sind) häufig dazu, eine ansonsten lange Folge von Nullen zu unter brechen. Nunmehr wird angenommen, daß der Wert bei dem markierten "ver streuten" Bildpunkt 1 vor dem Abrunden 0,609 betrug. Unter Verwendung der JPEG-Metrik wird der Wert auf 1 aufgerundet.

Die vorliegende Erfindung rundet den Wert von 0,609 auf 0 ab. Bei dem JPEG-System werden die letzten 18 Koeffizienten als 10 Nullen, eine 1, und dann 7 Nullen codiert. Bei der vorliegenden Erfindung werden die letzten 18 Koeffizienten als eine Folge von 18 Nullen codiert. Das Nettoergebnis sind längere Folgen von Nullen, und daher rührt die Be zeichnung "Z"-Quantisierung (von "Zero": englisch für "Null").

Einer der großen Vorteile des verbesserten Quantisierungsverfahrens besteht darin, daß dieses 100%ig kompatibel mit dem vorgeschlagenen Standard ist. An dem Dekompressionsende des Systems muß der Dekompressor nicht wissen, ob "JPEG" oder "Z" während der Quantisierung verwendet wurde.

Die Auswahl des Wertes 0,625 für die "Z"-Quantisierung scheint aus unterschiedlichen Gründen optimal zu sein. Selbst wenn dies so ist, kön nen allerdings andere Werte als 0,5 für die "Z-"-Quantisierung akzep tierbar sein. Ein höherer Wert wie beispielsweise 0,75 könnte möglicher weise hohe Bitratenkompressionen beeinträchtigen, bei welchen die Genau igkeit wesentlich ist. Ein Wert von weniger als 0,625 könnte möglicher weise nur zu einem Gewinn von etwa 1-2% führen und daher den Aufwand nicht rechtfertigen.

Die Auswahl von 0,625 ergibt 3-6% und läßt sich einfach durch Hard ware oder Software implementieren. Hierzu wird beispielsweise der Aus gangswert der x=C/Q-Berechnung betrachtet, wie in Fig. 3 dargestellt.

Nach dem Runden ist der Wert x eine ganze Zahl mit 11 Bit. Das Abrunden erfordert eine Untersuchung von Bits rechts von der Dezimalstelle (b^-1 bis b^-3). Der JPEG-Algorithmus muß nur das Bit b^-1 zur Durchführung der Rundung in Betracht ziehen:

wenn b^-1 = 1 und b¹⁰ = 0, dann addiere 1 zu x.

Das "Z"-Quantisierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erfor dert für das Abrunden nur einen geringfügig komplizierteren Algorithmus:

wenn b^-1 = 1 und (b^-2 oder b^-3 = 1) und b¹⁰ = 0,
dann addiere 1 zu x.

Eine entsprechnede Vorgehensweise läßt sich auf negative Zahlen anwen den.

Ergebnisse

Die diskrete Kosinus-Transformation führt zum Auftreten unterschied licher Fehlergrade an unterschiedlichen Stellen in dem 8×8-Bildpunkt block. Zu Vergleichszwecken werden die Daten in den Ecken-Bildpunkten "A" und den Zentrumsbildpunkten "B" betrachtet. Fig. 4 zeigt eine Dar stellung des Bildpunktblocks.

Das vorgeschlagene "Z"-Quantisierungsverfahren verringert überall die Fehler, ist jedoch besonders wirksam bei den Eckenbildpunkten "A".

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Ergebnisse für ein typisches Testbild. Bei vorgegebenen Bitraten ist das "Z"-Quantisierungsverfahren geringfügig besser als JPEG bei den Zentrumsbildpunkten (vgl. Fig. 5, wobei beachtet werden muß, daß ein höheres Signal-Rauschverhältnis einem geringeren Fehler entspricht). An den Eckenbildpunkten "B" ist der Unterschied erheblich signifikanter. Dies ist der Ort, aus welchem der hauptsächli che Gewinn kommt, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Eine sehr einfache Änderung der Quantisierungsschaltkreise in einem JPEG-Bildkompressionssystem kann signifikante Verbesserungen des Kom pressionsverhältnisses (3-6%) bei sehr geringen zusätzlichen Kosten erreichen. Das Quantisierungsverfahren bleibt mit dem vorgeschlagenen Standard vollständig kompatibel. Die Auswahl des Wertes 0,625 scheint annähernd optimal zu sein, sowohl unter Berücksichtigung des Wirkungs grades als auch der einfachen Implementierung.

Die voranstehenden Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Erläuterung und der Beschrei bung präsentiert. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung exakt auf die beschriebene Form begrenzen, und es sollte offensichtlich sein, daß angesichts der voranstehend dargestellten Lehre zahlreiche Modifikationen und Variationen möglich sind. Die Ausführungsformen wur den zu dem Zwecke ausgesucht und beschrieben, um die Grundlagen der Er findung und deren praktische Umsetzung am besten zu erläutern, um es hierdurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung und unter schiedliche Ausfürungsformen mit verschiedenen Modifikationen am besten einzusetzen, wie es für den betreffenden Verwendungszweck gerade erfor derlich ist. Es ist beabsichtigt, daß der Umfang der Erfindung durch die Gesamtheit der Anmeldeunterlagen und entsprechende Äquivalente bestimmt wird.

Claims

1. Quantisierungsverfahren zur Verwendung bei der Bildkompression, ge kennzeichnet durch folgende Schritte:
Empfangen von Eingangsbildpunkten von N×N-Bildpunktblöcken,
Transformieren der Bildpunktblöcke in ein Frequenzbereichsformat, was zu mehreren Frequenztransformationskoeffizienten einschließlich eines Gleichspannungskoeffizienten und mehrerer Wechselspannungskoeffi zienten führt,
Quantisieren der Frequenzkoeffizienten, um eine ganze Zahl mit mehre ren Bits zu bilden, einschließlich einem wesentlichsten Bit, und ein schließlich zumindest dreier Dezimalbits,
Untersuchung des ersten Dezimalbits und des zweiten oder dritten Dezimalbits,
Untersuchung des wesentlichsten Bits, und
Addieren einer logischen 1 zu der ganzen Zahl, wenn das erste Dezi malbit und das zweite oder dritte Dezimalbit eine logische 1 sind, und wenn das wesentlichste eine logische Null ist.